Глубокий ультрафиолет (DUV) с длиной волны 193 нм является эталоном при создании микропроцессоров. Этот вид излучения позволяет «вырезать» на кремниевых пластинах элементы небольшого нанометрового размера, формируя основу для современных электронных устройств. Однако использование традиционных объемных газовых лазеров ограничивает возможности миниатюризации и энергоэффективности.
Исследователи из Китайской академии наук сделали значительное открытие: они разработали первый в мире компактный твердотельный лазер, который способен генерировать не только излучение длиной 193 нм, но и вихревой пучок, что может привести к революции в области нанолитографии и квантовых технологий.
Новая система способна работать на частоте 6 тысяч импульсов в секунду. Как основа выступает усилительный элемент из кристалла Yb:YAG, выращенного в лабораторных условиях. Исходный инфракрасный лазер (1030 нм) разделён на две части. Один пучок проходит через систему кристаллов, преобразующих его в ультрафиолетовый луч 258 нм с мощностью 1,2 Вт. Второй проходит через оптический преобразователь, генерируя излучение длиной 1553 нм (700 мВт). Оба пучка затем сводятся в каскад литий-триборатных кристаллов (LBO), где благодаря нелинейным эффектам формируется целевое излучение длиной 193 нм. Итог — мощность 70 мВт при ширине спектральной линии менее 880 МГц, что критически важно для четкости травления микросхем.
Основное новаторство заключено в преобразовании луча в «световой штопор». Учёные добавили в систему спиральную фазовую пластину, которая делает пучок длиной 1553 нм закрученным перед их объединением. Это привело к созданию вихревого пучка на 193 нм, обладающего орбитальным угловым моментом — свойством, позволяющим управлять микрообъектами и передавать квантовую информацию. Достижение такого результата в твердотельных системах D-UV-диапазона стало первым в своём роде.
Эффективность преобразования энергии в излучение 193 нм достигла 17,5%, что в 3,5 раза превышает показатели предыдущих аналогов. Это стало возможным благодаря точной настройке кристаллов LBO и оптимизации теплового режима. Для сравнения, коммерческие полупроводниковые лазеры данной длины волны до сих пор не достигли мощности в 20 мВт.
Данная технология предоставляет три ключевые возможности. Во-первых, может заменить гибридные ArF-эксимерные лазеры в литографии за счёт узкого спектра нового источника, что снизит количество дефектов при массовом производстве чипов. Во-вторых, обеспечит высокоточную диагностику микросхем, поскольку вихревой луч способен выявлять дефекты размером до 5 нм. В-третьих, в контексте квантовой связи, «закрученный» свет позволяет кодировать больше информации в одном фотоне.
Учёные стремятся масштабировать систему до 200–300 мВт, что приблизит её к промышленным стандартам. Одновременно проводится тестирование использования вихревых пучков для манипуляции наночастицами в биомедицине. Эта разработка не только снижает стоимость литографического оборудования, но и делает DUV-технологии доступными для лабораторий и стартапов, ускоряя достижения в фотонике и квантовых вычислениях.
Источник: iXBT
